辣椒果皮厚度形成的细胞壁组分动态变化与转录组整合分析

《Scientia Horticulturae》：Integrated analysis of dynamic changes in cell wall components and transcriptome profiles during pepper pericarp development

本研究针对辣椒果皮厚度这一重要农艺性状的分子机制尚不明确的问题，通过整合生理结构观察、转录组测序和细胞壁组分分析，对厚薄果皮辣椒材料进行了系统研究。研究发现厚薄果皮辣椒在细胞层数、排列方式及细胞壁组分（如果胶、纤维素、半纤维素）含量上存在显著差异，并通过WGCNA分析鉴定出与性状相关的关键模块（蓝色和青绿色模块）及调控果胶、纤维素和半纤维素生物合成的候选关键基因（如GAUT、PME、PG、CESA、GSL等），为解析辣椒果皮厚度形成的分子基础提供了新见解。

　　

辣椒是全球广泛栽培的重要蔬菜作物，其果皮厚度是直接影响单果重量和口感品质的关键农艺性状。然而，关于这一性状形成的生理生化及分子基础的研究仍不充分，特别是对果皮厚度分化机制的理解存在空白。细胞壁作为植物细胞的重要组成部分，在调控细胞扩张和大小方面起着关键作用，其组分如纤维素、半纤维素和果胶的动态变化被认为是影响果皮厚度的重要因素。为了深入揭示辣椒果皮厚度形成的奥秘，一项整合多组学分析的研究应运而生，相关成果发表在《Scientia Horticulturae》上。

为了阐明辣椒果皮厚度的分子调控机制，研究人员选取了厚果皮辣椒材料GA95和薄果皮材料GA155作为研究对象。研究团队在GA95授粉后5、10、15、20、25、30和35天，以及GA155授粉后10天和35天分别采集了果皮样本。通过整合细胞结构观察、转录组测序和细胞壁关键组分（总果胶、纤维素、半纤维素和木葡聚糖糖基转移酶活性）的测定，构建了一个高时间分辨率的动态数据集。关键技术方法包括：利用石蜡切片技术观察果皮细胞结构；通过Illumina平台进行转录组测序，并使用HISAT2和StringTie进行序列比对和新基因预测，以FPKM值衡量基因表达水平，筛选差异表达基因（DEGs）；应用加权基因共表达网络分析（WGCNA）识别与性状相关的基因模块；采用酶联免疫吸附测定（ELISA）法量化细胞壁组分含量；最后利用R语言和TBtools等工具进行相关性分析、聚类分析和可视化。

3.1. 转录组测序获得了丰富的数据集

细胞结构观察显示，厚果皮辣椒GA95的果皮中层细胞层数（约30层）显著多于薄果皮GA155（约14层），且细胞排列更为紧密。转录组测序产生了高质量数据（Clean data达185.02 G，Q30>96%），共检测到35,336个有基因组注释的基因和6,785个新注释基因。样本间相关性分析和主成分分析（PCA）表明生物学重复性好，且厚薄果皮材料间存在显著的转录组差异。

3.2. 辣椒GA95果实发育过程中的差异表达基因分析

在GA95的七个发育阶段比较中，共鉴定出4,255个差异表达基因。K-means聚类将这些基因分为12组，揭示了基因表达在发育过程中的动态重编程，早期阶段基因调控活跃，而成熟后期以下调为主。

3.3. 两个品种间关键DEGs的筛选与分析

在10 DAP和35 DAP，厚薄果皮辣椒间分别鉴定出大量差异表达基因。KEGG富集分析显示，苯丙烷生物合成等途径在两个时期均显著富集。WGCNA分析进一步识别出两个关键模块：蓝色模块（3,024个基因）在厚果皮辣椒中特异性高表达，而青绿色模块（4,925个基因）在薄果皮辣椒中高表达。

3.4. 纤维素、半纤维素、果胶和木葡聚糖糖基转移酶的含量分析

薄果皮辣椒的总果胶、纤维素和半纤维素含量相对高于厚果皮辣椒。木葡聚糖糖基转移酶（XyG）的活性在两类材料的不同发育阶段也表现出差异趋势。

3.5. 辣椒果实中基因表达与细胞壁合成的相关性分析

通过整合基因表达与组分含量数据进行相关性分析（相关系数>0.6, P<0.05），发现蓝色模块中的多个基因与果胶含量显著相关。这些候选关键基因涉及果胶合成（如GAUT家族的Capana01g001333和Capana08g002835、PME家族的Capana07g000878和Capana12g002035、PG家族的Capana07g000744和Capana09g002077）、纤维素合成（CESA家族的Capana03g001730和Capana12g002010）以及半纤维素合成（GSL家族的Capana01g001540和Capana03g001312）。

研究结论与讨论部分强调，本研究通过高密度时间点采样和整合分析，首次构建了辣椒果皮厚度形成的高分辨率转录组图谱，将连续的发育过程离散化为可计算的表达模块。研究不仅证实了细胞壁组分（如果胶、纤维素、半纤维素）及其相关基因（如GAUT、PME、PG、CESA、GSL）在果皮厚度分化中的重要作用，还发现苯丙烷生物合成途径可能是一个核心调控通路。值得注意的是，与果胶和纤维素相关的基因显示出较强的相关性，而木葡聚糖糖基转移酶（XTH）相关基因的关联较弱，提示辣椒果皮厚度调控可能存在物种特异性机制。这些发现为后续通过基因编辑、转基因等功能验证实验深入解析性状形成的分子网络奠定了基础，对辣椒分子育种改良产量和品质具有重要指导意义。